JP6794876B2 - 電池 - Google Patents

Description

本開示は、電池に関する。

電池の電流遮断装置は、電池要素に電気的に接続された集電端子、この集電端子に接合された反転板、およびこの反転板に電気的に接続された外部端子などから構成される。反転板が内圧を受け、反転板が集電端子から遠ざかる方向に反転変形することにより、電池要素と外部端子との間の導通が遮断される。

特開２００８−６６２５４号公報（特許文献１）には、電池の内圧上昇を受け、ダイアフラムがセルの外部方向へ変形して電流経路を遮断する構造が開示されている。

特開２００８−６６２５４号公報

従来の電流遮断装置は、破断される部分がセルの内部に有り、電池の内部空間を消費する。そのため、電極体のサイズが制限され、電池の性能および容量を向上させることが困難であるという問題があった。

本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電池ケースの内部の空間を有効に利用できる電池を提供することを目的とする。

電池は、電池ケースと、電池ケース内部の圧力を受けることで電流を遮断する電流遮断部を備え、電流遮断部は、電池ケース外部に設けられた極板端子と電池ケース内部に設けられた集電端子とを電気的に接続する変形板を有し、変形板は断面形状が多角形であり、電池ケース外部で極板端子と接触して電池ケースの内部の圧力を受けることで電池ケースの内部に向かって変形して電流を遮断する。

このように、変形板が電池ケース内部に向かって変形することで電流を遮断できるため、変形板と極板端子との接触部分を電池ケースの外に配置できる。その結果、電池ケースの内部の空間を有効に利用することができる。

この電池によれば、電池ケースの内部の空間を有効に利用できる電池を提供することが可能である。

実施の形態における電池を示す斜視図である。 図１中の電流遮断部９０を拡大して示す一部断面を含む斜視図である。 図２中の変形板４５および脆弱部４６を拡大して示す一部断面を含む斜視図である。 内圧上昇後の変形した変形板４５を示す一部断面を含む斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 図１で示す実施の形態における電池の製造方法を説明するための斜視図である。 比較例における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 比較例における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 比較例における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 比較例における電池の製造方法を説明するための一部断面を含む斜視図である。 性能評価で用いた比較例における電池を示す斜視図である。 性能評価で用いた実施例における電池を示す斜視図である。 性能評価で用いた比較例における電池を示す正面図である。 性能評価で用いた実施例における電池を示す正面図である。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。同一の部品および相当部品には、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、図面においては、実際の寸法の比率に従って図示しておらず、構造の理解を容易にするために、構造が明確となるように比率を変化させて図示している。

図１から図４を参照して、本実施の形態における電池１００について説明する。図１は、実施の形態における電池を示す斜視図である。図２は、図１中の電流遮断部９０を拡大して示す一部断面を含む斜視図である。図３は、図２中の変形板４５および脆弱部４６を拡大して示す一部断面を含む斜視図である。図４は、内圧上昇後の変形した変形板４５を示す一部断面を含む斜視図である。

図１を参照して、二次電池である電池１００は、外装体１０、負極外部端子２０ａ、負極凸部２０および負極集電端子、ならびに、正極外部端子２４ａ、正極凸部２４および正極集電端子を備える。

外装体１０は、有底筒状の電池ケース１１および蓋板１２を含む。外装体１０は、内部に電極体（電池要素）を収容する。負極凸部２０および正極凸部２４は、蓋板１２に取り付けられる。

電極体は、正極芯体、負極芯体およびセパレータ（いずれも図示せず）を有し、正極芯体および負極芯体は、セパレータを介して巻回される。電極体の両端には、正極芯体露出部および負極芯体露出部がそれぞれ設けられている。極板端子としての正極外部端子２４ａ近傍には電流遮断部９０が設けられている。

図２を参照して、蓋板１２および正極外部端子２４ａの近傍には、正極集電端子２５に加えて、ゴムまたは樹脂製のインシュレーター５２、ガスケット１７、スペーサー１８、受け部品１９、正極蓋４３、変形板４５、および、リベット４０が設けられる。

蓋板１２には、貫通孔１２Ｈが形成される。ガスケット１７およびスペーサー１８は、蓋板１２の内側（外装体１０の内部側）に配置される。ガスケット１７およびスペーサー１８は、蓋板１２とリベット４０との間に位置している。インシュレーター５２および受け部品１９は、蓋板１２の外側（外装体１０の外部側）に配置される。リベット４０は、貫通孔１２Ｈに挿通された状態でかしめられ、受け部品１９およびインシュレーター５２を蓋板１２に固定する。

リベット４０は、カシメ部４０ａ、小径部４０ｂおよび接続部４０ｃを含む。カシメ部４０ａは、小径部４０ｂのうちの接続部４０ｃとは反対側に形成される。カシメ部４０ａは、小径部４０ｂを貫通孔１２Ｈに挿通したのち、小径部４０ｂの端部側をかしめることによって形成される。

正極集電端子２５は、たとえば、アルミニウム合金などから形成される。正極集電端子２５はたとえばかしめまたは溶接によりリベット４０の接続部４０ｃに接続される。正極集電端子２５とリベット４０とが一体的に構成されていてもよい。

蓋板１２の上にインシュレーター５２が設けられている。インシュレーター５２上に受け部品１９が設けられている。インシュレーター５２および受け部品１９をリベット４０が貫通している。

受け部品１９上に正極蓋４３が設けられている。正極蓋４３に複数の変形板４５が固定されている。変形板４５の下部は正極蓋４３に固定されている。変形板４５の上部は脆弱部４６を介在させて正極外部端子２４ａに固定されている。正極蓋４３の貫通孔４３ｈを変形板４５が塞いでいる。

正極蓋４３と正極外部端子２４ａとの間には絶縁性のスペーサー５５が設けられている。スペーサー５５の端部がフック５５ｆである。フック５５ｆは正極外部端子２４ａに係合することで、正極外部端子２４ａに対してスペーサー５５を固定する働きを有する。導電体で構成される正極集電端子２５、リベット４０、受け部品１９、正極蓋４３、変形板４５、脆弱部４６、正極外部端子２４ａおよび正極凸部２４により電流経路が形成される。

図３を参照して、変形板４５の断面は多角形の形状を有している。変形板４５の頂点に脆弱部４６が設けられている。変形板４５が変形したときに脆弱部４６が破断する。この例では変形板４５は２つの辺を有する多角形であるが、変形板４５が３つ以上の辺を有していてもよい。

脆弱部４６は、破断しやすいように一部分で幅が狭い形状を有する。この実施の形態では脆弱部４６の一部分に切欠きが設けられている。破断時には脆弱部４６に引張応力が加わるので、引張応力が加えられると破断しやすい形状を有する。

図４を参照して、電池ケース１１内でガスが発生するとリベット４０の孔４０ｈを経由して矢印４０ｙで示すようにガスが上昇する。これによりガスが貫通孔４３ｈから変形板４５で囲まれた空間に導入されて変形板４５内の圧力が高くなる。

変形板４５で囲まれる空間の圧力が上昇することで、変形板４５の断面は図３で示す多角形状から図４で示す円形状に変形する。その結果、変形板４５の頂点が正極蓋４３側へ移動するため、脆弱部４６に引張応力が付与される。脆弱部４６が引張応力に耐え切れずに破断する。これにより電流経路が遮断される。

従来の技術では、異常時に電池ケース１１内の圧力が上昇した際に変形板は収容部の外側方向へ変形する。これは接点を破断するにはセルの内側から外側への引張応力を利用しており、接点は必ず電池ケース１１の内側に設ける必要があった。

これに対して、図１から４で示すように変形板４５は電池ケース１１の内側方向へ変形し、接点である脆弱部４６には電池ケース１１の外部から内部へ向かう引張応力が付与される。そのため、脆弱部４６を電池ケース１１の外側に配置することができる。これにより、電池ケース１１の内部空間を確保して電極体の体積を増加させることができるため、電池の性能および容量を向上させることができる。

変形板４５の断面を多角形とし頂点において脆弱部４６と接続することにより、変形板４５が圧力を受けた時には断面は最も安定な円形状となるため、変形板４５の頂点は必ず中心方向に変位する。また脆弱部４６を設けて破断箇所を限定することにより、動作を安定させることが可能である。

（実施例）
図１で示す実施例における電池、および比較例における電池を製造し、その特性を調べる。

（実施例の電池の製造方法）
実施例では、図１に従った形状の電池１００を製造する。

（蓋アッセンブリの負極側組立）
図５を参照して、蓋板１２の上面にインシュレーター１５２と負極外部端子２０ａを載置する。蓋板１２の下面より、蓋板１２、インシュレーター１５２および負極外部端子２０ａのそれぞれの貫通孔を通るようにガスケット１７と負極集電端子２１の中実円柱部を挿入する。

中実円柱部の端をカシメにより固定する。この構成により、ガスケット１７とインシュレーター５２がカシメ部１４０ａで挟持される。蓋板１２と負極外部端子２０ａおよび負極集電端子２１とは電気的に未接続状態であると共に、蓋板１２の上下面で蓋板１２の貫通孔１２Ｈからの気体の流出入を防いでいる。

（蓋アッセンブリの正極側組立）
図６を参照して、蓋板１２の上面にインシュレーター５２と受け部品１９を載置する。下面から蓋板１２、インシュレーター５２および受け部品１９のそれぞれの貫通孔を通るようにガスケット１７と正極集電端子２５の中空円筒部（リベット４０）を挿入する。中空円筒部の端をカシメにより固定および接続する。レーザー光ＬＢ１によりカシメ部４０ａと受け部品１９との接触部分の淵を全周隅肉溶接する。

この構成により、ガスケット１７とインシュレーター５２とがリベット４０で挟持される。蓋板１２と正極集電端子２５とは電気的に未接続状態であると共に、蓋板１２の上下面で正極集電端子２５のカシメ部４０ａの中空部のみから流体の流入出が可能となる。

（変形板組立）
図７を参照して、変形板４５を準備する。変形板４５の板厚は０．３ｍｍであり、幅Ｗは１．５ｍｍであり、高さＨは２．５ｍｍである。変形板４５の頂点に脆弱部４６を設ける。

図８を参照して、変形板４５の長さＬ１は１０ｍｍである。脆弱部４６（溶接部）の長さＬ２は８ｍｍである。正極蓋４３に３つの変形板４５を、レーザー光ＬＢ１を矢印２０４で示すように移動させて溶接する。変形板４５の下端面が正極蓋４３に溶接されることで、正極蓋４３の孔が変形板４５により密閉される。

図９を参照して、受け部品１９上に正極蓋４３を載置する。レーザー光ＬＢ１を矢印２０６で示すように移動させて正極蓋４３の外周全周を受け部品１９に溶接する。これにより、正極蓋４３が受け部品１９に固定される。

図１０を参照して、正極蓋４３の上にスペーサー５５を載置する。スペーサー５５の上に正極外部端子２４ａを載置する。レーザー光ＬＢ１を用いて正極外部端子２４ａの凹部２４ｂと脆弱部４６とを溶接する。

（評価試験用セルの組立）
図１１を参照して、正負の集電端子を導線で接続する。蓋板１２を電池ケース１１に挿入する。レーザー光ＬＢ１を矢印２０７で示す方向に移動させて蓋板１２と電池ケース１１とを溶接する。

なお、通常の電池を製造する工程では、負極集電端子２１および正極集電端子２５間に集電体を挟みこんで負極集電端子２１および正極集電端子２５と集電体とを溶接してこれらを電池ケース１１に挿入する。蓋板１２と電池ケース１１とを溶接する。蓋板１２の注液口から電解液を入れ、注液口キャップを溶接する。

電池評価のため、ケースに直径φが８ｍｍの評価用孔１１ａを電池ケース１１にあける。そこから矢印１１ｂで示すように圧縮空気を送り込むことにより内圧上昇の再現が可能となるようにした。

次に、比較例に従った電池の製造方法について説明する。比較例に従った電池では電池ケース１１の内部に電流遮断部９０を設ける。

蓋アッセンブリの負極側組立は、図５と同様の工程である。
（蓋アッセンブリの正極側組立）
図１２を参照して、蓋板１２の上面にインシュレーター５２と正極外部端子２４ａとを載置する。下面より蓋板１２、インシュレーター５２、正極外部端子２４ａのそれぞれの貫通孔を通るようにガスケット１７と、リベット４０の中空円筒部を挿入する。リベット４０の端をかしめてカシメ部４０ａを形成する。カシメ部４０ａは正極外部端子２４ａに当接する。

この構成により、ガスケット１７とインシュレーター５２とがリベット４０で挟持される。蓋板１２と正極外部端子２４ａとは電気的に未接続状態である。蓋板１２の上下面でリベット４０の中空部（孔４０ｈ）のみから流体の流入出ができる。

（変形板組立）
図１３を参照して、変形板３０の形状は、板厚０．３ｍｍ、直径φ１６ｍｍ、高さＴ１．２ｍｍのドーム形状である。変形板３０は天面部３１、傾斜部３２および周縁部３３を有する。

図１４を参照してレーザー光ＬＢ１を矢印２１１で示す方向に移動させてリベット４０の接続部４０ｃに変形板３０の周縁部３３を溶接する。

図１５を参照して、スペーサー１８上に正極集電端子２５を載置する。変形板３０の天面部３１と正極集電端子２５とをレーザー光ＬＢ１で溶接する。なお、比較例では正極集電端子２５と天面部３１とが溶接された部分付近に脆弱部が設けられている。

このようにして形成された蓋板１２を電池ケース１１に図１１と同様に溶接して接続した。これにより、比較例の評価試験用セルを得た。

（評価方法）
比較例の評価試験用の電池１０１（図１６）および実施例の評価試験用の電池１００（図１７）をそれぞれ５個作製した。

評価用孔１１ａから矢印１１ｂで示すように圧縮空気を導入して電池１００，１０１の内圧を１．５ＭＰａまで上昇されて１０秒維持した後、大気圧まで除圧した。

負極凸部２０および正極凸部２４間の導通を確認して電流の遮断が行われているかを確認した。さらに、電池ケース１１内の電極体を直方体として、電池ケース１１内に挿入した場合の電極体の体積を比較した。

比較例では、５つの電池１０１のうち、５つの電池１０１において電流遮断機構が作動した。電極体１３の体積率は図１８で示すように、１００％であった。

実施例では、５つの電池１００のうち、５つの電池１００において電流遮断機構が作動した。電極体１３の体積率は１０４．６％であった。

（考察）
図１８の比較例の電池１０１、図１９の実施例の電池１００ともに電流遮断機構が問題なく作動した。実施例では、電流遮断部９０が電池ケース１１の外部にあるために、電極体１３の体積が比較例と比較して４．６％向上した。この体積増加分を利用して、電池１００の容量を向上させることが可能になる。

以上、本開示に基づいた実施の形態および実施例について説明したが、今回開示された内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 外装体、１１ 電池ケース、１１ａ 評価用孔、１２ 蓋板、１２Ｈ，４３ｈ 貫通孔、１３ 電極体、１７ ガスケット、１８，５５ スペーサー、１９ 受け部品、２０ 負極凸部、２０ａ 負極外部端子、２１ 負極集電端子、２４ 正極凸部、２４ａ 正極外部端子、２４ｂ 凹部、２５ 正極集電端子、３０，４５ 変形板、３１ 天面部、３２ 傾斜部、３３ 周縁部、４０ リベット、４０ａ，１４０ａ カシメ部、４０ｂ 小径部、４０ｃ 接続部、４０ｈ 孔、４３ 正極蓋、４６ 脆弱部、５２，１５２ インシュレーター、５５ｆ フック、９０ 電流遮断部、１００，１０１ 電池。

Claims (1)

1. 電池ケースと、
   前記電池ケース内部の圧力を受けることで電流を遮断する電流遮断部を備え、
   前記電流遮断部は、前記電池ケース外部に設けられた極板端子と前記電池ケース内部に設けられた集電端子とを電気的に接続する変形板を有し、
   前記変形板は断面形状が多角形であり、
   変形前には前記変形板は前記電池ケース外部で前記極板端子と接触することで前記極板端子と前記集電端子との間の導通経路を構成し、
   前記変形板が前記電池ケースの内部の圧力を受けることで前記電池ケースの内部に向かって前記変形板が変形したとき、変形前に電気的に接触していた前記極板端子から前記変形板が離れて前記極板端子と非接触状態となることで電流を遮断する、電池。

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